OPTIQUE Optique cohérente

Cohérence spatiale

L'autre aspect, la cohérence spatiale, tient aux dimensions de la source. Deux atomes voisins émettent des trains d'ondes, dont la phase relative varie très vite, et au hasard. Par le biais de la séparation en demi-trains d'ondes, chaque atome donne naissance à une figure d'interférences stable, et nous observons la superposition des deux, c'est-à-dire une nouvelle interférence. Toujours en raison de la rapidité de la succession des trains d'ondes, nous ne pouvons voir qu'une moyenne. Le calcul montre dans ces conditions que l'intensité lumineuse observée est simplement la somme des intensités qui seraient dues à chacun des atomes agissant isolément. Il se peut que le changement d'atome émetteur ne modifie pas sensiblement le retard introduit entre les deux demi-trains d'ondes. Les diverses figures d'interférences se superposent exactement, ce que nous pouvons interpréter en admettant que les dimensions de la source sont sans influence sur la cohérence de la lumière. C'est le cas – entre autres – des interférences responsables des bulles de savon. Dans la majorité des cas, toutefois, le retard de marche dépend de la position du point source. Supposons la lumière pratiquement monochromatique, pour obéir à la condition de cohérence temporelle. Si nous voulons que la figure d'interférences due au second atome ne brouille pas celle formée par le premier, il faut que la variation de retard de marche associée au changement de point source soit petite devant la longueur d'onde : une variation d'une demi-longueur d'onde fait passer d'une interférence constructive à une interférence destructive, dont la superposition donne naissance à un éclairement uniforme. Pour la quasi-totalité des interféromètres, cette condition est respectée tant que l'inclinaison des rayons lumineux s'écarte peu d'une valeur moyenne. En d'autres termes, la source doit être vue depuis l'interféromètre sous un « petit angle », le « petit » dépendant de l'interféromètre particulier, et, dans une moindre mesure, de la longueur d'onde. Dans un laser, cette condition est obtenue grâce à deux miroirs parallèles, qui se renvoient la lumière et éliminent toutes les ondes dont la direction de propagation n'est pas celle de l'axe commun aux deux miroirs. Le faisceau a ainsi une divergence très faible, ce qui équivaut à une source de très faible diamètre apparent.

En bref, pour obtenir de « belles » interférences, il faut que la source lumineuse ait un faible diamètre apparent et qu'elle émette une lumière monochromatique. Elle est alors dite spatialement et temporellement cohérente. Moins bien ces conditions sont respectées, moins la cohérence est bonne, jusqu'au point où elle n'existe plus. La lumière est alors incohérente. À ce propos, nous devons signaler que la condition de cohérence temporelle est d'autant plus facile à respecter que la différence de trajets imposée aux demi-trains d'ondes par l'expérimentateur est plus faible, ce qui n'est pas le cas de la condition de cohérence spatiale. Une conséquence pratique intéressante est que nous pouvons obtenir des figures d'interférences en lumière faiblement monochromatique (lumière blanche), mais qu'il est impossible d'utiliser une source étendue.

Notre description de la cohérence mutuelle de deux ondes est volontairement restée qualitative. Bien entendu, ces notions ont fait l'objet d'un traitement mathématique en précisant la validité et la portée. Deux ondes sont comparées grâce à un coefficient de cohérence, qui varie de 0 à 1, selon qu'elles sont totalement incohérentes ou parfaitement cohérentes. La valeur en tout point de ce coefficient se calcule à partir des caractéristiques de la source, ce qui fournit une définition, plus[...]